Modeling and Experimental Validation of the Performance of Phase Change Material Storage Tanks in Buildings

Le stockage d'énergie thermique dans les bâtiments permet d'atténuer les pointes d'appel de puissance sur le réseau électrique et de synchroniser la demande énergétique à la disponibilité de ressources énergétiques renouvelables, telle l'énergie solaire. Les matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être utilisés afin de permettre un tel stockage d'énergie thermique. Ceux-ci offrent une haute densité de stockage énergétique (principalement sous forme d'énergie latente) et un changement de phase à température quasiment constante. L'intégration de MCP dans un réservoir où circule un fluide caloporteur permet de créer un système de stockage actif. La charge et décharge énergétique du réservoir peuvent alors être contrôlées par le débit du fluide caloporteur envoyé dans le réservoir ou vers un contournement. Afin d'assurer une performance adéquate du réservoir de stockage à MCP dans un bâtiment, le comportement dynamique de celui-ci doit être prévisible. Or, le design du réservoir aura un impact crucial sur son fonctionnement : la température de changement de phase du matériau, la géométrie du réservoir et des capsules de MCP influenceront le comportement dynamique de celui-ci. Afin de permettre un design adéquat du réservoir, des outils permettant la simulation énergétique de tels systèmes sont nécessaires. Or, la modélisation du changement de phase, souvent basée sur une relation entre l'enthalpie et la température du matériau, présente certaines difficultés. Elle est, entre autre, limitée par les informations rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incomplètes ou erronées. Les MCP ont aussi tendances à se comporter différemment lors de leur fusion et lors de leur solidification (i.e. présence d'hystérèse) et ils exhibent parfois des phénomènes de surfusion dont l'occurrence est plus stochastique que déterministe. De plus, peu de données expérimentales existent sur le comportement dynamique de tels réservoirs. Ainsi, les modèles numériques actuels sont limités à quelques géométries et rarement validés expérimentalement. Toutes ces problématiques sont soulevées dans cette thèse et des solutions sont abordées. La première partie (chapitre 4) offre une contribution à une méthode de caractérisation normalisée des matériaux à changement de phase, à travers une évaluation critique du traitement des données de la méthode « T-History ». Une proposition est faite quant à la variante qui devrait être adoptée pour déterminer la courbe enthalpie-température de MCP présentant une surfusion importante afin de fournir toutes les informations nécessaires pour la simulation numérique de leur comportement.

Abstract

Thermal energy storage in buildings can attenuate peak power demand to the electric grid and synchronize the heating or cooling load to the availability of renewable energy, such as solar energy. Phase change materials (PCM) can be used to allow such storage of thermal energy. They offer high energy storage density (mainly through latent energy) and a quasi-constant phase change temperature. The integration of PCMs in a tank where a heat transfer fluid can circulate allows the creation of an active thermal storage system. Charging and discharging energy from the reservoir can be controlled by directing the heat transfer fluid into the tank or towards a by-pass. To ensure an adequate performance of the PCM storage tank in a building, its dynamic behaviour must be predictable. The PCM tank's design will have a crucial impact on its operation: the material's phase change temperature, the geometry of the tank and PCM capsules will influence the transient behaviour of the tank. To allow an adequate design of the tank, tools allowing the energy simulation of such systems are required. However, the modelling of phase change itself, often based upon a relation between the enthalpy and temperature of the material, presents some difficulties. It is, amongst other things, limited by the information made available by manufacturers, which are often incomplete or erroneous. PCMs have also the tendency to behave differently during their fusion and solidification processes (i.e. presence of hysteresis) and they exhibit at times a phenomenon of supercooling whose occurrence tends to be more stochastic than deterministic. Moreover, little experimental data exists on the transient behavior of such PCM storage tanks. The existing numerical models are limited to a few geometries and have rarely been validated experimentally. All these problems are explored in this thesis and solutions are addressed. The first section of this thesis (Chapter 4) offers a contribution towards a standardised characterisation method for phase change materials through a critical evaluation of the data processing in the T-History Method. A proposal is made concerning the data processing variant which should be adopted to determine the enthalpy-temperature curve of PCMs presenting an important degree of supercooling so that all the required information necessary for its numerical simulation is available. The second section (Chapter 5) concentrates on the detailed experimental testing of a real-scale horizontal storage tank containing rectangular PCM capsules.